JP2023012208A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to semiconductor devices.
従来より、発熱体が発熱することにより生じる応力(熱応力)を緩和する放熱装置が知られている(特許文献1)。特許文献1に記載されたヒートマス部材はその厚さ方向において、応力緩和部とヒートマス部とを有する。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a heat dissipation device that relieves stress (thermal stress) caused by heat generated by a heating element (Patent Document 1). The heat mass member described in
しかしながら、特許文献1に記載された放熱装置において、冷却器とヒートマス部材との接触面の縦横比では十分な応力緩和効果が得られない。
However, in the heat dissipation device described in
本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、応力を低減することが可能な半導体装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing stress.
本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体素子と、高熱伝導材料から構成され、半導体素子と接合されるヒートスプレッダと、ヒートスプレッダの面のうち、半導体素子と接合される面と対向する面において、ヒートスプレッダと接合される冷却器と、を備える。ヒートスプレッダには、ヒートスプレッダと冷却器との接合面に開口する溝が形成される。溝の長手方向に沿って延長した仮想の延長線の少なくとも一方は、ヒートスプレッダの長辺を形成する面と交差する。 A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a semiconductor element, a heat spreader that is made of a high thermal conductive material and is bonded to the semiconductor element, and a surface of the heat spreader that faces the surface that is bonded to the semiconductor element, a cooler coupled with the heat spreader. The heat spreader is formed with a groove that opens to the joint surface between the heat spreader and the cooler. At least one of imaginary extension lines extending along the longitudinal direction of the groove intersects the plane forming the long side of the heat spreader.
本発明によれば、応力を低減することが可能となる。 According to the present invention, stress can be reduced.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
(第1実施形態)
図1~2を参照して第1実施形態に係る半導体装置100について説明する。図1は、半導体装置100の上面図である。図2は、図1のA-A断面図である。
(First embodiment)
A
図1~2に示すように、半導体素子1の一方の面とヒートスプレッダ2の一方の面は接合されている。半導体装置100の上面視において目視できる半導体素子1の面を「上面」、この「上面」に対向する面を「下面」、半導体装置100の上面視において目視できるヒートスプレッダ2の面を「上面」、この「上面」に対向する面を「下面」と、それぞれ定義した場合、半導体素子1の下面とヒートスプレッダ2の上面は接合されている、と表現される。接合には周知の方法が用いられる。周知の方法とは例えば、はんだ付け、金属接合、拡散接合などが挙げられる。
As shown in FIGS. 1 and 2, one surface of the
半導体素子1は特に限定されないが、一例としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。ヒートスプレッダ2は放熱効率を高めるために用いられるものであり、高熱伝導材料から構成される。高熱伝導材料の一例は、銅である。
The
半導体素子1とヒートスプレッダ2との接合面と対向する面において、ヒートスプレッダ2と冷却器3が接合されている。半導体装置100の上面視において目視できる冷却器3の面を「上面」、この「上面」に対向する面を「下面」と、それぞれ定義した場合、ヒートスプレッダ2の下面と冷却器3の上面は接合されている、と表現される。冷却器3は一例としてアルミニウムから構成される。よって、本実施形態においてヒートスプレッダ2の熱伝導率は、冷却器3の熱伝導率より大きい。冷却器3には板状のフィン10が複数設けられ、フィン10とフィン10との間には隙間11が形成される。図1の符号6は、ヒートスプレッダ2の長手方向を示す。また、符号6は、ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面の方向のうち、長手方向を示すものでもある。ヒートスプレッダ2の長手方向とフィン10の長手方向とが同一方向になるように、ヒートスプレッダ2と冷却器3とが接合されている。なお、本実施形態では冷却器3として多穴管を用いているが、櫛歯のような開放型の冷却器が用いられてもよい。半導体素子1、ヒートスプレッダ2、及び冷却器3の形状は、特に限定されないが、一例として四角形状である。
The
図1~2に示すように、ヒートスプレッダ2には溝4が形成される。溝4は、ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面に開口している。また、ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面の形状は、長方形状である。符号9は、溝4の長手方向を示す。また、符号9は、ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面の方向のうち、短手方向を示すものでもある。符号5は、溝4の延長線を示す。より詳しくは、符号5は、溝4の長手方向に沿って延長した仮想の延長線を示す。符号8は、半導体装置100の側面視において、ヒートスプレッダ2の長辺を形成する面(側面)を示す。延長線5の少なくとも一方は、ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面において、ヒートスプレッダ2の長辺を形成する面8と交差する。交差点は、符号7で示される。なお、延長線5が交差する面の位置は、ヒートスプレッダ2の長辺を形成する面のうち、任意の位置で構わない。したがって、延長線5はヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面以外の位置において、ヒートスプレッダ2の長辺を形成する面8と交差してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2,
(作用効果)
第1実施形態に係る半導体装置100は、半導体素子1と、高熱伝導材料から構成され、半導体素子1と接合されるヒートスプレッダ2と、ヒートスプレッダ2の面のうち、半導体素子1と接合される面と対向する面において、ヒートスプレッダ2と接合される冷却器3と、を備える。ヒートスプレッダ2の熱伝導率は、冷却器3の熱伝導率より大きい。ヒートスプレッダ2には、ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面に開口する溝4が形成される。ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面の形状は、長方形状である。溝4の長手方向に沿って延長した仮想の延長線5の少なくとも一方は、ヒートスプレッダ2の長辺を形成する面8と交差する。これにより、長手方向6に対してヒートスプレッダ2が伸び縮みしやすくなり、応力を低減することが可能となる。
(Effect)
A
また、冷却器3は、ヒートスプレッダ2の長辺と同一方向に形成された板状のフィン10を複数有する。このようにヒートスプレッダ2と冷却器3との接触面の長手方向6と同一方向にフィン10を形成することにより、応力の低減効果がより一層高まる。
The
なお、図1~2において溝4はヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面に対し、垂直に形成されているが、これは一例であり垂直に形成されている必要はない。
1 and 2, the
(第2実施形態)
次に図3を参照して、第2実施形態に係る半導体装置100について説明する。第2実施形態では図3に示すように、溝4がヒートスプレッダ2の端部(両端部)まで到達している。換言すれば、溝4は、ヒートスプレッダ2の長辺を形成する面(両面)に開口している。溝4は、ヒートスプレッダ2の長辺を形成する面(両面)まで到達している、と表現されてもよい。これにより、溝4によってヒートスプレッダ2が分断されるため、応力の低減効果がより一層高まる。
(Second embodiment)
Next, a
(第3実施形態)
次に図4を参照して、第3実施形態に係る半導体装置100について説明する。図4の符号13は溝4の溝底を示し、符号14はヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面に形成される溝4の開口部を示す。図4の符号L1は長手方向9における溝底13の長さを示し、符号L2は断面視における半導体素子1の1辺の長さを示し、符号L3は長手方向9における開口部14の長さを示す。長さL1~L3の関係は、L3>L2>L1である。図4に示すように、溝4の長手方向9における溝底13の長さL1は、溝4の長手方向9における開口部14の長さL3より短く、かつ、半導体素子1の1辺の長さL2より短い。半導体素子1の形状の一例は四角形状であると説明した。長さL1は、半導体素子1の4辺のうち、いずれの辺(任意の辺)の長さより短い。このように、溝4にテーパーをつける(溝底13を設ける)ことにより、熱の経路を確保することができ、熱抵抗を低減することが可能となる。なお図4ではテーパーの一例として台形状を説明したが、三角形状となるようにテーパーをつけてもよい。この場合、溝底13の代わりに頂点が形成されることになる。
(Third Embodiment)
Next, a
(第4実施形態)
次に図5を参照して、第4実施形態に係る半導体装置100について説明する。図5の符号L4は溝4の深さを示し、符号L5は溝底13から半導体素子1とヒートスプレッダ2との接合面までの長さを示す。「溝4の深さ」とは、断面視における開口部14から溝底13までの長さである。符号L4~L5の関係は、L5>L4である。溝4の深さL4は、溝4の溝底13から半導体素子1とヒートスプレッダ2との接合面までの長さL5より短い。つまり、溝底13と半導体素子1とヒートスプレッダ2との接合面とは、所定距離(長さL5)だけ離間している。溝底13は応力緩和部に相当するため、半導体素子1とヒートスプレッダ2との接合面は、応力緩和部(溝底13)に接していない。これにより、熱の拡散する厚み(長さL5)を確保でき、熱抵抗をより一層低減することが可能となる。なお、符号L4~L5の関係はL5>L4であれば特に限定されないが、L4は、L5の50%未満として設定されてもよい。
(Fourth embodiment)
Next, a
(第5実施形態)
次に図6を参照して、第5実施形態に係る半導体装置100について説明する。第5実施形態では図6に示すように、溝4は複数形成される。図6では3つの溝4が形成される。これにより、ヒートスプレッダ2が伸び縮みしやすくなり、応力をより一層低減することが可能となる。なお図6ではそれぞれの溝4が交差しないように形成されているが、それぞれの溝4が交差するように形成されてもよい。また図6ではそれぞれの溝4がヒートスプレッダ2の端部まで到達しているが、これは一例であり、それぞれの溝4は図1に示すようにヒートスプレッダ2の端部まで到達していなくてもよい。
(Fifth embodiment)
Next, a
(第6実施形態)
次に図7を参照して、第6実施形態に係る半導体装置100について説明する。第6実施形態において溝4が複数形成される点は第5実施形態と同じである。第6実施形態では図7に示すように、ヒートスプレッダ2と接合される半導体素子1も複数設けられる。図7では2つの半導体素子1が設けられる。図7に示すように、複数の半導体素子1と複数の溝4を、ヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面に投影したとき、複数の半導体素子1を仕切るように複数の溝4が形成される。このとき、溝4がヒートスプレッダ2の中心(または中心付近)に形成されることが好ましい。図7に示すように、複数の溝4が半導体素子1を仕切るように形成され、さらに複数の溝4のうち1つの溝4がヒートスプレッダ2の中心(または中心付近)に形成されることにより、応力緩和の効果はヒートスプレッダ2と冷却器3との接合面に対し広く影響し、かつ半導体素子1間の熱干渉を緩和することが可能となる。なお図7ではそれぞれの溝4がヒートスプレッダ2の端部まで到達しているが、これは一例であり、それぞれの溝4は図1に示すようにヒートスプレッダ2の端部まで到達していなくてもよい。
(Sixth embodiment)
Next, a
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 While embodiments of the present invention have been described above, the discussion and drawings forming part of this disclosure should not be construed as limiting the invention. Various alternative embodiments, implementations and operational techniques will become apparent to those skilled in the art from this disclosure.
100 半導体装置、1 半導体素子、2 ヒートスプレッダ、3 冷却器、4 溝、10 フィン、13 溝底、14 開口部
REFERENCE SIGNS
Claims (7)
高熱伝導材料から構成され、前記半導体素子と接合されるヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダの面のうち、前記半導体素子と接合される面と対向する面において、前記ヒートスプレッダと接合される冷却器と、を備え、
前記ヒートスプレッダの熱伝導率は、前記冷却器の熱伝導率より大きく、
前記ヒートスプレッダには、前記ヒートスプレッダと前記冷却器との接合面に開口する溝が形成され、
前記ヒートスプレッダと前記冷却器との接合面の形状は、長方形状であり、
前記溝の長手方向に沿って延長した仮想の延長線の少なくとも一方は、前記ヒートスプレッダの長辺を形成する面と交差する
ことを特徴とする半導体装置。 a semiconductor element;
a heat spreader made of a highly thermally conductive material and bonded to the semiconductor element;
a cooler bonded to the heat spreader on a surface of the heat spreader facing the surface bonded to the semiconductor element;
the thermal conductivity of the heat spreader is greater than the thermal conductivity of the cooler;
The heat spreader is formed with a groove that opens to a joint surface between the heat spreader and the cooler,
The joint surface between the heat spreader and the cooler has a rectangular shape,
A semiconductor device, wherein at least one of imaginary extension lines extending along the longitudinal direction of the groove intersects a plane forming a long side of the heat spreader.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said cooler has a plurality of plate-like fins formed in the same direction as the long sides of said heat spreader.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said groove is open to a surface forming a long side of said heat spreader.
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The length of the groove bottom in the longitudinal direction of the groove is shorter than the length of the opening in the longitudinal direction of the groove and shorter than the length of any side of the semiconductor element. The semiconductor device according to any one of items 1 and 2.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a depth of said groove is shorter than a length from a groove bottom of said groove to a bonding surface between said semiconductor element and said heat spreader.
ことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of said grooves are formed.
前記複数の前記半導体素子と前記複数の溝を、前記ヒートスプレッダと前記冷却器との接合面に投影したとき、前記複数の半導体素子を仕切るように前記複数の溝が形成される
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 A plurality of the semiconductor elements bonded to the heat spreader are provided,
The plurality of grooves are formed so as to partition the plurality of semiconductor elements when the plurality of semiconductor elements and the plurality of grooves are projected onto the joint surface between the heat spreader and the cooler. 7. The semiconductor device according to claim 6.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2021115714A JP2023012208A (en) | 2021-07-13 | 2021-07-13 | Semiconductor device |
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